DE3877444T2 - METHOD FOR PRODUCING A CERAMIC / METAL HEAT STORAGE MATERIAL AND CORRESPONDING PRODUCT. - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING A CERAMIC / METAL HEAT STORAGE MATERIAL AND CORRESPONDING PRODUCT.Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Direktkontakt- Wärmespeichermedien, die aus einem Metallkörper bestehen, der von einem aus einem Stück hergestellten keramischer Behälter eingekapselt wird, und das Produkt des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeichermediums durch die gerichtete Oxidation einer Masse aus Grundmetall unter Bildung eines keramischen Überzugs, der einstückig mit nicht umgesetztem Metall gebildet wird und dieses Metall einkapselt, welches beim Einsatz als Wärmespeichermedium eine Schmelz-Erstarrungs-Umwandlung durchläuft.The present invention relates to a method for producing direct contact heat storage media consisting of a metal body encapsulated by a one-piece ceramic container, and the product of the method. More particularly, the invention relates to a method for producing a heat storage medium by the directed oxidation of a mass of base metal to form a ceramic coating integrally formed with and encapsulating unreacted metal which undergoes a melt-solidification transformation when used as a heat storage medium.
Von Metallen ist bekannt, daß sie, im Vergleich zu verschiedenen anderen Materialien, eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, und sie werden auf ihre Eignung als Wärmespeichermedien überprüft. In derartigen Anwendungen durchläuft das Metall als Speichermedium aufeinanderfolgende Zyklen aus Schmelzen nach Erhitzen und Erstarren nach Abkühlen, und es wird deshalb allgemein als ein Phasenübergangsmaterial bezeichnet. Einige Metalle (und Legierungen) weisen bei der Umwandlung eine relativ hohe Latenzwärme auf und bieten außerdem insofern einen wichtigen Vorteil für die Verwendung beim Wärmeaustausch und bei der Wärmespeicherung, als das Verhältnis der Wärmeaustauscherfläche zum Speichervolumen für eine vorgegebene Zykluszeit viel kleiner sein kann als bei Materialien, die eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Weiterhin wird am Schmelzpunkt eines jeden Materials eine Schmelz-Latenzwärme absorbiert. Jedoch sind Metalle bei Temperaturen, bei denen Änderungen der Latenzwärme vorteilhaft in Wärmespeichermedien eingesetzt werden könnten, allgemein nicht verwendbar, da sie beim Schmelzen ihre Form und Festigkeit verlieren.Metals are known to have high thermal conductivity compared to various other materials and are being investigated for their suitability as heat storage media. In such applications, the metal as a storage medium undergoes successive cycles of melting after heating and solidification after cooling and is therefore generally referred to as a phase change material. Some metals (and alloys) exhibit relatively high latent heats of transformation and also offer an important advantage for use in heat exchange and storage in that the ratio of heat exchange area to storage volume for a given cycle time can be much smaller than for materials that exhibit poorer thermal conductivity. Furthermore, a latent heat of melting is absorbed at the melting point of any material. However, metals are generally not usable at temperatures where changes in latent heat could be advantageously used in heat storage media because they lose their shape and strength when melted.
In einem derartigen Fall würde ein vorteilhafter Behälter für ein Wärmespeichermedium aus Metall den Wärmeaustausch zwischen dem Äußeren des Behälters und dem Metall ermöglichen und seine mechanischen Eigenschaften trotz der Phasenübergänge (Schmelzen und Erstarren) des darin enthaltenen Metalls beibehalten. Auch würde ein eingekapseltes Phasenübergangsmaterial seinen direkten Kontakt mit einem die Energie transportierenden Fluid ermöglichen. Ein Behälter aus Keramik, der fähig ist, Wärme auf das Metall zu übertragen, aber trotzdem strukturell stabil genug ist, das eingesetzte Metall bei den Einsatztemperaturen einzuschließen, würde diese Kriterien erfüllen.In such a case, an advantageous container for a heat storage medium made of metal would allow heat exchange between the exterior of the container and the metal and maintain its mechanical properties despite the phase transitions (melting and solidification) of the metal contained therein. Also, an encapsulated phase change material would allow its direct contact with an energy transporting fluid. A container made of ceramic that is able to transfer heat to the metal but is still structurally stable enough to contain the metal used at the temperatures of use would meet these criteria.
Das U.S.-Patent 4.146.057 (erteilt am 27. März 1979 an J. Friedman et al.) legt ein Energiespeichersystem für das Abpuffern von Unterbrechungen und/oder Asynchronität zwischen einem Energielieferanten und einem Energieverbraucher offen. Das Energiespeichersystem beinhaltet einen Pufferteil, der aus einem keramischen Behälter besteht, der mit Aluminium gefüllt ist und mit einer Kaliumschleife und einer Kraft- und Energieschleife gekoppelt ist. Abgesehen von der verallgemeinerten Feststellung, daß ein keramischer Behälter nützlich für die Unterbringung von Aluminium in einem Wärmespeichersystem ist, gibt es keine Offenlegung oder keinen Vorschlag, wie der keramische Körper hergestellt wird.US Patent 4,146,057 (issued March 27, 1979 to J. Friedman et al.) discloses an energy storage system for buffering interruptions and/or asynchrony between an energy supplier and an energy consumer. The energy storage system includes a buffer portion consisting of a ceramic container filled with aluminum and coupled to a potassium loop and a power and energy loop. Apart from Despite the generalized statement that a ceramic container is useful for housing aluminum in a heat storage system, there is no disclosure or suggestion as to how the ceramic body is manufactured.
Das U.S.-Patent 2.823.151 (erteilt am 11. Februar 1958 an Yntema et al.) legt die Bildung einer Haut aus einer Legierung oder Zwischenmetallverbindung auf einem Metallsubstrat, insbesondere einem Substrat aus Molybdänmetall, offen, damit das Substrat widerstandsfähig gegenüber einer Oxidation bei hohen Temperaturen wird. Die Haut wird als eine Molybdän- Silizium-Bor-Legierung oder Zwischenmetallverbindung beschrieben, und sie wird auf dem Substrat aus Molybdänmetall durch Umsetzen des zugrundeliegenden Molybdäns mit Silizium und Bor gebildet, oder durch Überziehen eines nicht aus Molybdän bestehenden Metallsubstrats mit Molybdän und anschließendes Umsetzen des Molybdäns mit Silizium. Jedoch zielt dieses Patent ausschließlich auf ein Verfahren zum Beschichten ab, und auf keine Weise legt es ein Wärmespeichermedium nahe, da das Molybdän nicht geschmolzen wird und auch keiner Schmelz- Erstarrungs-Umwandlung unterzogen wird. Außerdem legen Yntema et al. keine Oxidation der Basis oder des Substrats aus Metall zur Herstellung eines einkapselnden metallischen Behälters, der imstande ist, das Molybdänmetall im schmelzflüssigen Zustand zu enthalten, offen.U.S. Patent 2,823,151 (issued February 11, 1958 to Yntema et al.) discloses the formation of a skin of an alloy or intermetallic compound on a metal substrate, particularly a molybdenum metal substrate, to make the substrate resistant to oxidation at high temperatures. The skin is described as a molybdenum-silicon-boron alloy or intermetallic compound and is formed on the molybdenum metal substrate by reacting the parent molybdenum with silicon and boron, or by coating a non-molybdenum metal substrate with molybdenum and then reacting the molybdenum with silicon. However, this patent is directed exclusively to a method of coating and in no way suggests a heat storage medium since the molybdenum is not melted nor undergoes a melt-solidification transformation. Furthermore, Yntema et al. do not disclose oxidation of the metal base or substrate to produce an encapsulating metallic container capable of containing the molybdenum metal in the molten state.
Die britische Patentanmeldung 2.159.542 (angemeldet am 13. März 1985 an Zielinger et al.) betrifft ein Verfahren zur Herstellung isotroper schützender Oxidschichten auf Metalloberflächen, wobei die Geschwindigkeit des Wachstums der Schicht durch Variieren des Sauerstoffdrucks in der Umgebung des Wachstums gesteuert wird. Jedoch legen Zielinger et al. nicht offen oder nahe, daß man eine keramische Schicht nennenswerter Stabilität wachsen läßt, die das überzogene Metall im schmelzflüssigen Zustand enthält, und sie legen auch keine Bildung eines Wärmespeichermediums nahe.British Patent Application 2,159,542 (filed March 13, 1985 to Zielinger et al.) relates to a process for producing isotropic protective oxide layers on metal surfaces, the rate of growth of the layer being controlled by varying the oxygen pressure in the growth environment. However, Zielinger et al. do not disclose or suggest growing a ceramic layer of appreciable stability containing the coated metal in the molten state, nor do they suggest forming a heat storage medium.
Das U.S.-Patent 4.657.067 an Rapp et al. legt ein thermisches Speichermaterial offen, bei dem die Schmelzwärme eutektischer Legierungen dadurch ausgenützt wird, daß die äußere Schale so gebildet wird, daß sie einen höheren Schmelzpunkt als der eutektische Kern hat. Das Material wird dadurch gebildet, daß eine Phasenübergangslegierung geschmolzen wird und man die Schmelze dann langsam abkühlen läßt, so daß das hochschmelzende Material, speziell reines Silizium oder ein Silizid, das in der Gesamtzusammensetzung enthalten ist, sich zuerst verfestigt und das niedriger schmelzendene Material des inneren eutektischen Kerns einkapselt.U.S. Patent 4,657,067 to Rapp et al. discloses a thermal storage material that utilizes the heat of fusion of eutectic alloys by forming the outer shell to have a higher melting point than the eutectic core. The material is formed by melting a phase change alloy and then allowing the melt to cool slowly so that the high melting material, specifically pure silicon or a silicide contained in the overall composition, solidifies first and encapsulates the lower melting material of the inner eutectic core.
Ein neuartiges und nützliches Verfahren zur Herstellung selbsttragender keramischer Körper durch die gerichtete Oxidation einer Masse aus Vorläufermetall (Grundmetall) wird in unseren folgenden Patentanmeldungen offengelegt. Der Prozeß der gerichteten Oxidation eignet sich für den Prozeß zur Herstellung eines Wärmespeichermediums, daß ein sich selbst einkapselndes Metall aufweist.A novel and useful method for producing self-supporting ceramic bodies by the directed oxidation of a mass of precursor metal (base metal) is disclosed in our following patent applications. The directed oxidation process is suitable for the process of producing a heat storage medium comprising a self-encapsulating metal.
Dementsprechend beschreibt die Patentanmeldung EP-A-1 55831 desselben Anmelders ganz allgemein den Prozeß zur Herstellung keramischer Materialien durch die gerichtete Oxidation eines schmelzflüssigen Grundmetalls. Bei diesem Prozeß bildet sich zunächst ein Oxidationsreaktionsprodukt an der Oberfläche des Körpers aus schmelzflüssigem Grundmetall, der einem Oxidationsmittel ausgesetzt ist, und entwickelt sich dann von dieser Oberfläche nach außen, wenn schmelzflüssiges Metall durch das Oxidationsreaktionsprodukt und in Kontakt mit dem Oxidationsmittel an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittei und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt transportiert wird, wo es unter Bildung einer zunehmend dickeren Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt reagiert. Der Prozeß kann durch die Verwendung in das Grundmetall einlegierter Dotierungsmittel verbessert werden, wie im Falle eines an Luft oxidierten Aluminium-Grundmetalls. Dieses Verfahren wurde durch die Verwendung von Dotierungsmitteln, die auf die äußere Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen wurden, verbessert, wie in der EP-A- 169067 desselben Anmelders offengelegt wurde. In diesem Zusammenhang wird Oxidation im weitesten Sinne des Wortes verstanden und soll bedeuten, daß ein Metall oder mehrere Metalle unter Bildung einer Verbindung Elektronen an ein anderes Element oder eine Kombination von Elementen abgeben oder Elektronen mit diesem bzw. diesen teilen. Dementsprechend bezeichnet der Begriff "Oxidationsmittel" einen Elektronenakzeptor oder einen Elektronen teilenden Stoff.Accordingly, the patent application EP-A-1 55831 of the same applicant describes in general terms the process for producing ceramic materials by the directed oxidation of a molten base metal. In this process, an oxidation reaction product first forms on the surface of the body of molten base metal exposed to an oxidizing agent and then develops outward from this surface, when molten metal is transported through the oxidation reaction product and into contact with the oxidant at the interface between the oxidant and previously formed oxidation reaction product where it reacts to form an increasingly thick layer of oxidation reaction product. The process can be improved by the use of dopants alloyed into the parent metal, as in the case of an aluminum parent metal oxidized in air. This process has been improved by the use of dopants coated on the outer surface of the parent metal, as disclosed in EP-A-169067 of the same applicant. In this context, oxidation is understood in the broadest sense of the word and is intended to mean that one or more metals donate electrons to or share electrons with another element or combination of elements to form a compound. Accordingly, the term "oxidant" refers to an electron acceptor or an electron sharing substance.
Bei dem Prozeß, der in der EP-A-193292 desselben Anmelders beschrieben ist, werden keramische Verbundgegenstände durch Wachsenlassen eines polykristallinen keramischen Produkts in ein Bett aus einem Füllstoffmaterial, das an einen Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall angrenzt, hergestellt. Das schmelzflüssige Metall reagiert mit einem gasförmigen Oxidationsmittel, wie z.B. Sauerstoff, unter Bildung eines keramischen Oxidationsreaktionsprodukts, das den Füllstoff durchdringt. Das resultierende Oxidationsreaktionsprodukt, z.B. Aluminiumoxid, kann in und durch die Masse aus Füllstoff wachsen, wenn schmelzflüssiges Metall fortwährend durch das Oxidationsreaktionsprodukt gezogen wird und mit dem Oxidationsmittel reagiert. Die Füllstoffteilchen werden in dem polykristallinen keramischen Produkt eingebettet, das ein Komposit-Oxidationsreaktionsprodukt darstellt. Unsere Patentanmeldungen legen nicht offen, daß der gerichtete Oxidationsprozeß für die Bildung eines keramischen Behälters um einen Metallkörper herum zur Bildung eines Wärmespeichermediums adaptiert wird. Die vorliegende Erfindung liefert jedoch ein Verfahren zur Verwendung des gerichteten Wachstumsprozesses für die Entwicklung eines keramischen Behälters um einen Metallkörper herum zur Bildung eines Wärmespeichermediums.In the process described in the applicant's EP-A-193292, ceramic composite articles are made by growing a polycrystalline ceramic product into a bed of filler material adjacent to a body of molten parent metal. The molten metal reacts with a gaseous oxidant, such as oxygen, to form a ceramic oxidation reaction product which permeates the filler. The resulting oxidation reaction product, e.g. alumina, can grow into and through the mass of filler as molten metal is continually drawn through the oxidation reaction product and reacts with the oxidant. The filler particles become embedded in the polycrystalline ceramic product, which is a composite oxidation reaction product. Our patent applications do not disclose that the directed oxidation process is adapted for the formation of a ceramic container around a metal body for forming a heat storage medium. However, the present invention provides a method for using the directed growth process for developing a ceramic container around a metal body for forming a heat storage medium.
Die Patentanmeldung EP-A-245192 desselben Anmelders (nicht vorveröffentlicht) legt besonders wirksame Verfahren offen, bei denen der Füllstoff als eine Vorform ausgebildet wird, mit einer Form, die den gewünschten äußeren Abmessungen des letztendlichen Verbundgegenstands entspricht. Die Vorform wird durch konventionelle Verfahren so hergestellt, daß ihre Form genügend Zusammenhalt und Grünfestigkeit aufweist, und sollte für den Transport des Oxidationsreaktionsprodukt durchlässig sein. Es kann auch eine Mischung von Füllstoffmaterialien und Teilchengrößen verwendet werden.The applicant's patent application EP-A-245192 (not prepublished) discloses particularly effective processes in which the filler is formed as a preform having a shape corresponding to the desired external dimensions of the final composite article. The preform is prepared by conventional methods such that its shape has sufficient integrity and green strength and should be permeable for the transport of the oxidation reaction product. A mixture of filler materials and particle sizes may also be used.
Es können Sperrmaterialien verwendet werden, um das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts an ausgewählten Grenzen zu hemmen oder anzuhalten, um die Form oder äußeren Abmessungen der keramischen Struktur festzulegen. Diese Erfindung ist in der Patentanmeldung EP-A-2451 93 desselben Anmelders (nicht vorveröffentlicht) offengelegt.Barrier materials may be used to inhibit or arrest the growth of the oxidation reaction product at selected boundaries to determine the shape or external dimensions of the ceramic structure. This invention is disclosed in the applicant's patent application EP-A-2451 93 (not prepublished).
Die Patentanmeldungen EP-A-234704 und EP-A-259239 (beide nicht vorveröffentlicht) legen Verfahren zur Herstellung keramischer Körper, die einen Hohlraum enthalten, von einer Größe und Dicke offen, die mit bisher bekannten Technologien nur schwer oder gar nicht dupliziert werden konnten. Kurz zusammengefaßt beinhalten die darin beschriebenen Erfindungen das Einbetten eines geformten Vorläufers aus Grundmetall in einen anpassungsfähigen Füllstoff und das Infiltrieren des Füllstoffs mit einer keramischen Matrix, die durch die Oxidation des Grundmetalls unter Bildung eines polykristallinen Produkts der Oxidationsreaktion des genannten Grundmetalls mit einem Oxidationsmittel erhalten wird, und, wenn es gewünscht wird, einem oder mehreren metallischen Bestandteil(en). Insbesondere wird bei der Anwendung der Erfindung dem Grundmetall eine Form gegeben, damit es ein Modell liefert, und dann wird es in einen anpassungsfähigen Füllstoff gebracht oder mit diesem umgeben, wobei dieser die äußeren Abmessungen des geformten Grundmetalls umgekehrt wiederholt. Bei diesem Verfahren (1) ist der Füllstoff durchlässig für das Oxidationsmittel, wenn es erforderlich ist, wie in dem Falle, bei dem das Oxidationsmittel ein Dampfphasenoxidationsmittel ist, und auf jeden Fall ist er durchlässig für die Infiltration durch das sich entwickelnde Oxidationsreaktionsprodukt; (2) hat der Füllstoff im Temperaturbereich der Aufheizphase genügend Anpassungsfähigkeit, um den Unterschied der thermischen Ausdehnung des Füllstoffs und des Grundmetalls plus jede Volumenänderung des Metalls am Schmelzpunkt aufnehmen zu können; und (3) ist der Füllstoff, wenn es erforderlich ist, zumindest in einer Stützzone, die das Modell umhüllt, von Haus aus selbstbindend, wodurch der genannte Füllstoff ausreichende Formstabilität besitzt, um bei der Wanderung des Grundmetalls, wie unten beschrieben, die invers wiederholten äußeren Abmessungen in der Einbettung aufrecht zu erhalten. Das umgebene oder eingebettete geformte Grundmetall wird unter Bildung von schmelzflüssigem Grundmetall auf einen Temperaturbereich oberhalb seines Schmelzpunkts, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt. Das schmelzflüssige Grundmetall wird in diesem Temperaturintervall oder -bereich unter Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts mit dem Oxidationsmittel umgesetzt. Zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts wird in diesem Temperaturbereich in Kontakt mit und zwischen dem Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall und dem Oxidationsmittel gehalten, wodurch fortschreitend schmelzflüssiges Metall aus dem Körper aus schmelzflüssigem Metall durch das Oxidationsreaktionsprodukt gezogen wird, wobei sich gleichzeitig der Hohlraum bildet, wenn sich das Oxidationsreaktionsprodukt weiterhin im Füllstoffbett an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt bildet. Diese Reaktion wird in diesem Temperaturbereich für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, den Füllstoff zumindest teilweise im Oxidationsreaktionsprodukt durch das Wachstum des letzteren unter Bildung des Verbundkörpers, der den vorher erwähnten Hohlraum enthält, einzubetten. Schließlich wird der resultierende selbsttragende Verbundkörper von überschüssigem Füllstoff, falls welcher vorhanden ist, abgetrennt.Patent applications EP-A-234704 and EP-A-259239 (both not prepublished) disclose processes for producing ceramic bodies containing a cavity from a size and thickness which have been difficult or impossible to duplicate with previously known technologies. Briefly summarized, the inventions described therein involve embedding a shaped parent metal precursor in a conformable filler and infiltrating the filler with a ceramic matrix obtained by oxidizing the parent metal to form a polycrystalline product of the oxidation reaction of said parent metal with an oxidizing agent and, if desired, one or more metallic constituents. More particularly, in the practice of the invention, the parent metal is given a mold to provide a pattern and then placed in or surrounded by a conformable filler which inversely repeats the external dimensions of the shaped parent metal. In this process (1) the filler is permeable to the oxidizing agent when required, as in the case where the oxidizing agent is a vapor phase oxidizing agent, and in any event is permeable to infiltration by the developing oxidation reaction product; (2) the filler has sufficient conformability over the temperature range of the heating phase to accommodate the difference in thermal expansion of the filler and the base metal plus any volume change of the metal at the melting point; and (3) the filler is inherently self-binding, if necessary, at least in a support zone surrounding the pattern, whereby said filler has sufficient dimensional stability to maintain the inversely repeated external dimensions in the mount upon migration of the base metal as described below. The surrounded or embedded molded base metal is heated to a temperature range above its melting point but below the melting point of the oxidation reaction product to form molten base metal. The molten base metal is reacted with the oxidizing agent in this temperature interval or range to form the oxidation reaction product. At least a portion of the oxidation reaction product is maintained in contact with and between the body of molten parent metal and the oxidant in said temperature range, whereby molten metal is progressively drawn from the body of molten metal through the oxidation reaction product, simultaneously forming the void as the oxidation reaction product continues to form in the filler bed at the interface between the oxidant and previously formed oxidation reaction product. This reaction is continued in said temperature range for a time sufficient to at least partially embed the filler in the oxidation reaction product by growth of the latter to form the composite body containing the aforementioned void. Finally, the resulting self-supporting composite body is separated from excess filler, if any.
Die gesamten Offenlegungen aller vorhergehenden Patente, die demselben Eigentümer erteilt wurden, sind hierin ausdrücklich mit der entsprechenden Quellenangabe aufgenommen.The entire disclosure of all prior patents issued to the same owner are expressly incorporated herein by reference.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeichermediums geschaffen, das aus einem Metallkern oder -körper und einem von Haus aus zusammenhängenden keramischen Behälter besteht. Der keramische Körper wird in einem Stück mit dem Metallsubstrat gebildet und kapselt dieses ein, indem ein Teil des Körpers aus schmelzflüssigern Grundmetall mit einem Oxidationsmittel, vorzugsweise einem Dampfphasenoxidationsmittel, umgesetzt wird. Somit besteht der keramische Behälter aus einem Oxidationsreaktionsprodukt aus einem schmelzflüssigen Grundmetall und einem Oxidationsmittel, und das Wärmespeichermedium besteht aus einem restlichen Körper aus nicht oxidiertem Grundmetall, das nicht unter Bildung des Behälters umgesetzt wurde.According to the present invention, there is provided a method of making a heat storage medium comprising a metal core or body and an inherently coherent ceramic container. The ceramic body is formed integrally with and encapsulates the metal substrate by reacting a portion of the body of molten parent metal with an oxidizing agent, preferably a vapor phase oxidizing agent. Thus, the ceramic container is comprised of an oxidation reaction product of a molten parent metal and an oxidizing agent, and the heat storage medium is comprised of a remaining body of unoxidized parent metal which has not been reacted to form the container.
Der Körper aus Grundmetall wird in Anwesenheit des Oxidationsmittels auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Grundmetalls, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt, wodurch sich ein Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall bildet. Bei dieser Temperatur wird schmelzflüssiges Grundmetall an der Außenseite der Oberfläche des Körpers aus Grundmetall unter Bildung einer Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt umgesetzt, wodurch die Einhüllung des nicht umgesetzten Körpers aus schmelzflüssigem Grundmetall einsetzt. Schmelzflüssiges Grundmetall wird durch das einkapselnde Oxidationsreaktionsprodukt und in Kontakt mit dem Oxidationsmittel an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt transportiert, wodurch es einen zunehmend dickeren Überzug oder Behälter aus Oxidationsreaktionsprodukt bildet, der sich von der Oberfläche des Körpers aus schmelzflüssigem Grundmetall nach außen entwickelt und eine gewisse Menge des darunterliegenden schmelzflüssigen Grundmetalls verbraucht.The body of parent metal is heated in the presence of the oxidizing agent to a temperature above the melting point of the parent metal but below the melting point of the oxidation reaction product, thereby forming a body of molten parent metal. At this temperature, molten parent metal on the outside of the surface of the body of parent metal is reacted to form a layer of oxidation reaction product, thereby beginning to encapsulate the unreacted body of molten parent metal. Molten parent metal is transported through the encapsulating oxidation reaction product and into contact with the oxidizing agent at the interface between the oxidizing agent and previously formed oxidation reaction product, thereby forming an increasingly thick coating or container of oxidation reaction product that develops outward from the surface of the body of molten parent metal and consumes some of the underlying molten parent metal.
Das schmelzflüssige Grundmetall wird durch die Schicht aus Reaktionsprodukt und in Kontakt mit dem Oxidationsmittel transportiert und mit diesem umgesetzt für eine Zeit, die ausreicht, eine einkapselnde Schicht aus Oxidatonsreaktionsprodukt als einen Behälter aus einer keramischen Matrix zu entwickeln, der eine ausreichende Wandstärke besitzt um den restlichen Körper aus Grundmetall, der aus nicht umgesetztem oder nicht oxidiertem Grundmetall besteht einschließen zu können und Belastungen während seiner Anwendung standhalten zu können wenn der durch die Schale eingekapselte Metallkörper möglicherweise geschmolzen wird. Diese Dicke der Schale hängt von solchen Faktoren wie der Art und Zusammensetzung des Grundmetalls, den Abmessungen des Grundmetallkörpers und den Parametern oder Bedingungen der letztendlichen Verwendung ab. Somit ist das resultierende Produkt ein Körper aus Grundmetall, der nicht umgesetztes oder nicht oxidiertes Grundmetall aufweist, das von einem dem Wesen nach zuSammenhängenden keramischen Behälter aus dem Produkt der Oxidation des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem Oxidationsmittel besteht. Die Menge und das Volumen des nicht umgesetzten oder nicht oxidierten Grundmetalls, das von dem keramischen Behälter eingeschlossen wird, der entsprechend dem Vorliegenden hergestellt wurde, ist geringer als die Menge oder das Volumen an Grundmetall, das den Grundmetallkörper ausmacht, der der Vorläufer des Prozesses ist. Somit entwickelt sich ein Raum oder Leerraum im keramischen Behälter als Folge des Verbrauchs eines Teils des Grundmetalls, das unter Bildung des keramischen Behälters umgesetzt wird. Dieser Leerraum oder Hohlraum kann die Ausdehnung des Metallkörpers während seiner Verwendung als Speichermedium aufnehmen, die ansonsten zu einem Springen oder Versagen des keramischen Körpers aufgrund der Volumenänderung beim Schmelzen des eingekapselten Körpers oder der fehlenden Übereinstimmung zwischen der thermischen Ausdehnung des keramischen Behälters und des darunterliegenden Metallkörpers führen würde.The molten parent metal is transported through the layer of reaction product and into contact with the oxidant and reacted therewith for a time sufficient to develop an encapsulating layer of oxidation reaction product as a ceramic matrix container having sufficient wall thickness to enclose the remaining body of parent metal consisting of unreacted or unoxidized parent metal and to withstand stresses during use when the metal body encapsulated by the shell may be melted. This thickness of the shell depends on such factors as the type and composition of the parent metal, the dimensions of the parent metal body, and the parameters or conditions of ultimate use. Thus, the resulting product is a body of parent metal comprising unreacted or unoxidized parent metal enclosed by a substantially coherent ceramic container consisting of the product of the oxidation of the molten parent metal with the oxidant. The amount and volume of unreacted or unoxidized base metal enclosed by the ceramic container made according to the present invention is less than the amount or volume of base metal making up the base metal body which is the precursor to the process. Thus, a space or void develops in the ceramic container as a result of consumption of a portion of the base metal reacted to form the ceramic container. This void or cavity can accommodate the expansion of the metal body during its use as a storage medium, which would otherwise result in cracking or failure of the ceramic body due to the volume change upon melting of the encapsulated body or the mismatch between the thermal expansion of the ceramic container and the underlying metal body.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Behälter aus einer keramischen Matrix, die einen geeigneten Füllstoff einbettet, vorzugsweise einen Füllstoff aus Keramik. Dabei wird eine Masse aus Füllstoffmaterial an die Oberfläche eines Grundmetalls angrenzend angeordnet, vorzugsweise durch Auftragen des Füllstoffs als einen Überzug auf den Grundmetallkörper. Es kann jedes geeignete Füllstoffmaterial verwendet werden, wie zu z.B. Metalloxide, -boride, -karbide oder -nitride (z.B. Teilchen, Fasern oder Whisker aus Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid). Ein Überzug aus Füllstoffmaterial kann unter Verwendung eines geeigneten Trägerstoffs auf die Oberfläche des Grundmetallkörpers aufgetragen werden, wie z.B. eines organischen Bindemittels, das während des Prozesses verbrennt oder sich verflüchtigt, um dem Überzug genügend innere Stabilität zu verleihen. Der Grundmetallkörper wird dann erhitzt, und das schmelzflüssige Grundmetall reagiert mit dem Oxidationsmiftel unter Bildung einer einkapselnden Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt, wie oben beschrieben wurde. Das sich entwickelnde Oxidationsreaktionsprodukt inflltriert das Füllstoffmaterial, und die Oxidationsreaktion wird für eine Zeit fortgesetzt die ausreicht, daß das Füllstoffmaterial vom Oxidationsreaktionsprodukt eingebettet oder infiltriert wird. Der resultierende keramische Behälter dieser Ausführungsform besteht aus einem Verbundkörper aus dem keramischen Oxidationsreaktionsprodukt und dem Füllstoffmaterial.In a preferred embodiment, the container consists of a ceramic matrix embedding a suitable filler, preferably a ceramic filler. A mass of filler material is placed adjacent to the surface of a parent metal, preferably by applying the filler as a coating to the parent metal body. Any suitable filler material may be used, such as metal oxides, borides, carbides or nitrides (e.g., particles, fibers or whiskers of alumina or silicon carbide). A coating of filler material may be applied to the surface of the parent metal body using a suitable carrier, such as an organic binder that burns or volatilizes during the process to provide sufficient internal stability to the coating. The parent metal body is then heated and the molten parent metal reacts with the oxidizing agent to form an encapsulating layer of oxidation reaction product, as described above. The developing oxidation reaction product infiltrates the filler material, and the oxidation reaction is continued for a time sufficient for the filler material to become embedded or infiltrated by the oxidation reaction product. The resulting ceramic container of this embodiment consists of a composite body of the ceramic oxidation reaction product and the filler material.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann der Überzug aus Füllstoffmaterial der vorliegenden Erfindung ein Material aufweisen, das mit bestimmten schmelzflüssigen Grundmetallen unter Bildung einer keramischen Stütttzone reagiert, so daß das schmelzflüssige Grundmetall während der Bildung des keramischen Behälters eingeschlossen oder abgestützt wird, wie z.B. Siliziumoxid für ein Grundmetallsystem aus Aluminium und Luft als Oxidationsmittel. Der Reaktion des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem Oxidationsmittel kann eine Reaktion des Grundmetalls mit dem Material des Überzugs vorangehen, oder sie kann von ihr begleitet werden.In yet another embodiment, the filler material coating of the present invention may comprise a material that reacts with certain molten parent metals to form a ceramic support zone so that the molten parent metal is confined or supported during formation of the ceramic container, such as silica for a parent metal system of aluminum and air as an oxidant. The reaction of the molten parent metal with the oxidant may be preceded by or accompanied by a reaction of the parent metal with the coating material.
Bei einer anderen Ausführungsform, speziell wenn ein Füllstoffmaterial verwendet wird, wird ein geeignetes Material, wie in der oben diskutierten EP-A-245193 desselben Anmelders beschrieben wurde, angrenzend an den Überzug aus Füllstoffmaterial plaziert, und somit ist es gegenüber der äußeren Oberfläche des Grundmetalls angeordnet. Ein derartiges Sperrmaterial, das vorzugsweise gasdurchlässig ist, hemmt oder arretiert im wesentlichen die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts am Sperrmaterial, wodurch es die Wanddicke des keramischen Behälters kontrolliert. Dieses Sperrmaterial kann z.B. aus einer Mischung oder einem Brei aus Gips und Wasser bestehen, oder aus einem Bett aus Teilchen oder Fasern, wie z.B. Wollastonit (einem mineralischen Kalziumsilikat).In another embodiment, especially when a filler material is used, a suitable material as described in the above-discussed EP-A-245193 of the same applicant is placed adjacent to the coating of filler material and thus is located opposite the outer surface of the parent metal. Such a barrier material, which is preferably gas permeable, inhibits or substantially arrests the development of the oxidation reaction product on the barrier material, thereby controlling the wall thickness of the ceramic container. This barrier material may, for example, consist of a mixture or slurry of gypsum and water, or of a bed of particles or fibers such as wollastonite (a mineral calcium silicate).
Die folgenden Begriffe sind, wie sie in dieser Beschreibung und den begleitenden Ansprüchen verwendet werden, wie folgt definiert:The following terms, as used in this specification and the accompanying claims, are defined as follows:
"Keramik" soll nicht streng beschränkt sein auf einen keramischen Körper im klassischen Sinne, d.h. in dem Sinne, daß er vollständig aus nichtmetallischen und anorganischen Materialien besteht, sondern bezieht sich eher auf ein Material, das entweder im Hinblick auf seine Zusammensetzung oder auf seine vorherrschenden Eigenschaften vorwiegend keramisch ist, obwohl das Material geringe oder größere Mengen eines metallischen Bestandteils oder mehrerer metallischer Bestandteile und/oder Porosität (zusammenhängend und isoliert), die vom Grundmetall abstammen oder aus dem Oxidationsmittel oder einem Dotierungsmittel durch Reduktion gewonnen wurden, enthalten kann, am typischsten innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1-40 Volumenprozent, der aber noch höher liegen kann."Ceramic" is not intended to be strictly limited to a ceramic body in the classical sense, i.e. in the sense of being composed entirely of non-metallic and inorganic materials, but rather refers to a material that is predominantly ceramic either in terms of its composition or in its predominant properties, although the material may contain minor or major amounts of one or more metallic constituents and/or porosity (continuous and isolated) derived from the parent metal or derived from the oxidizer or a dopant by reduction, most typically within a range of about 1-40 volume percent, but may be higher.
"Oxidationsreaktionsprodukt" bedeutet allgemein ein Metall oder mehrere Metalle in einem oxidierten Zustand, in dem ein Metall Elektronen an ein anderes Element, eine andere Verbindung oder eine Kombination davon abgegeben hat oder Elektronen mit diesen teilt. Dementsprechend umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" nach dieser Definition das Produkt der Reaktion von einem oder mehreren Metallen mit einem Oxidationsmittel, wie z.B. den in dieser Anmeldung beschriebenen."Oxidation reaction product" generally means one or more metals in an oxidized state in which a metal has donated or shares electrons with another element, compound, or combination thereof. Accordingly, an "oxidation reaction product" under this definition includes the product of the reaction of one or more metals with an oxidizing agent, such as those described in this application.
"Oxidationsmittel" bedeutet einen oder mehrere geeignete(n) Elektronenakzeptor(en) oder Elektronen teilende(n) Stoff(e) und kann bei den Prozeßbedingungen ein Festkörper, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Dampf) oder eine Kombination von diesen (z.B. ein Festkörper und ein Gas) sein."Oxidant" means one or more suitable electron acceptors or electron sharing substances and may be a solid, a liquid or a gas (vapor) or a combination of these (e.g. a solid and a gas) under the process conditions.
"Grundmetall" soll sich auf relativ reine Metalle beziehen, auf kommerziell verfügbare Metalle mit Verunreinigungen und/oder legierenden Bestandteilen, und auf Legierungen und Zwischenmetallverbindungen der Metalle. Wenn ein bestimmtes Metall erwähnt wird, dann sollte dieses angegebene Metall unter Beachtung dieser Definition gelesen werden, es sei denn, aus dem Zusammenhang geht etwas anderes hervor."Base metal" shall refer to relatively pure metals, to commercially available metals containing impurities and/or alloying components, and to alloys and intermetallic compounds of the metals. When a specific metal is mentioned, that specified metal should be read in light of this definition unless the context indicates otherwise.
FIGUR 1 ist eine Querschnittsansicht durch die Mitte eines im wesentlichen zylindrischen Wärmespeichermediums, das entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.FIGURE 1 is a cross-sectional view through the center of a substantially cylindrical heat storage medium made in accordance with the present invention.
FIGUR 2 ist ein Foto einer Aufsicht auf das Wärmespeichermedium, das entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.FIGURE 2 is a top view photograph of the heat storage medium made in accordance with the present invention.
Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung wird ein Grundmetall, das dotiert sein kann (wie unten genauer beschrieben wird) als ein(e) geeignete(r) Form oder Körper ausgebildet, z.B. als Kugel, Scheibe, Stange oder dergleichen. Die Oberfläche des geformten Körpers aus Grundmetall wird einem Oxidationsmittel oder einer oxidierenden Umgebung, vorzugsweise einem Dampfphasenoxidationsmittel, ausgesetzt oder für diese(s) zugänglich gemacht oder mit diesen in Kontakt gebracht. Die Oberfläche des Körpers bezieht sich, wie hier verwendet, auf die äußere(n) Oberfläche oder Oberflächen, oder auf einen Teil davon, die bzw. der dem Oxidationsmittel ausgesetzt ist bzw. sind. Somit kann die Oberfläche des Körpers eine oder mehrere Oberfläche(n), Seiten, Stirnseiten, Löcher, Öffnungen, Vorsprünge, Flansche oder dergleichen umfassen. Typischerweise wird der Metallkörper auf eine feuerfeste Stützvorrichtung gebracht, wie z.B. ein Bett aus feuerfesten Teilchen, das, wenn es erforderlich ist, durchlässig für ein Dampfphasenoxidationsmittel ist, und das insofern unter den Prozeßbedingungen relativ inert ist, als die Stützvorrichtung durch das schmelzflüssige Metall nicht benetzt wird. Wenn der Grundmetallkörper auf einem inerten Bett gelagert wird, dann kann der Metallkörper während des Aufheizens seine Form verlieren, aber dieser Formverlust ist normalerweise nur geringfügig und beeinträchtigt die letztendliche Verwendung des Produkts nicht. Bei Bedarf kann sich der Metallkörper in Kontakt mit einem festen oder flüssigen Oxidationsmittel befinden, oder er kann mit einem Füllstoff überzogen sein, der für das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts durchlässig ist, wie unten genauer erklärt wird, wodurch der Formverlust vermieden wird. Der Aufbau ist in einem geeigneten feuerfesten Schmelztiegel enthalten. Bei der Ausführungsform, bei der der keramische Behälter ein Füllstoffmaterial einbettet (wie unten genauer beschrieben wird), kann der Metallkörper direkt in einem Bett aus einem geeigneten Füllstoffmaterial untergetaucht werden, wie z.B. aus Teilchen, Fasern oder Whiskern, die in einem feuerfesten Schmelztiegel enthalten sind, oder er kann zunächst einen Überzug aus Füllstoffmaterial auf seine Metalloberfläche aufgetragen bekommen und dann in einem Schmelztiegel gelagert werden. Derartige Füllstoffe sind typischerweise aus Keramik, z.B. Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder Siliziumkarbid, und das gerichtete Wachstum der Oxidation erstreckt sich bis zu einer gewünschten oder vorherbestimmten Tiefe, wie unten genauer beschrieben wird.In the practice of the present invention, a base metal, which may be doped (as described in more detail below), is formed into a suitable shape or body, e.g., a sphere, disk, rod, or the like. The surface of the shaped body of base metal is exposed to, made accessible to, or in contact with an oxidizing agent or oxidizing environment, preferably a vapor phase oxidizing agent. The surface of the body, as used herein, refers to the outer surface or surfaces, or a portion thereof, that is exposed to the oxidant. Thus, the surface of the body may include one or more surfaces, sides, faces, holes, openings, projections, flanges, or the like. Typically, the metal body is placed on a refractory support, such as a bed of refractory particles that is permeable to a vapor phase oxidant when required, and that is relatively inert under the process conditions in that the support is not wetted by the molten metal. If the base metal body is supported on an inert bed, then the metal body may lose its shape during heating, but this loss of shape is usually minor and does not affect the ultimate use of the product. If desired, the metal body may be in contact with a solid or liquid oxidant, or it may be coated with a filler which is permeable to the growth of the oxidation reaction product, as explained in more detail below, thereby avoiding loss of shape. The structure is contained in a suitable refractory crucible. In the embodiment in which the ceramic container embeds a filler material (as described in more detail below), the metal body may be directly submerged in a bed of a suitable filler material, such as particles, fibers or whiskers, contained in a refractory crucible, or it may first have a coating of filler material applied to its metal surface and then stored in a crucible. Such fillers are typically ceramic, e.g. alumina, silica or silicon carbide, and the directed growth of oxidation extends to a desired or predetermined depth, as described in more detail below.
Der resultierende Aufbau aus dem Grundmetallkörper, einer Stützvorrichtung oder einem Bett aus feuerfesten Teilchen, der typischerweise in einem geeigneten feuerfesten Schmelztiegel oder Behälter arrangiert oder enthalten ist, wird in einer oxidierenden Umgebung auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Grundmetalls, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt. Der einsetzbare oder bevorzugte Temperaturbereich braucht sich aber nicht über den gesamten Temperaturbereich zwischen den Schmelzpunkten des Grundmetalls und des Oxidafionsreaktionsprodukts zu erstrecken. Dementsprechend schmilzt das Grundmetall bei dieser Temperatur oder innerhalb dieses Temperaturbereichs unter Bildung schmelzflüssigen Grundmetalls, und beim Kontakt mit dem Oxidationsmittel reagiert das schmelzflüssige Metall unter Bildung einer Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt, wodurch es das nicht umgesetzte schmelzflüssige Grundmetall einkapselt oder einschließt. Bei fortgesetzter Exposition gegen die oxidierende Umgebung wird schmelzflüssiges Grundmetall in und durch die vorher gebildete einkapselnde Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung auf das Oxidationsmittel zu transportiert. Das transportierte schmelzflüssige Metall tritt an der Grenzfläche zwischen dem Oxidationsmittel, typischerweise der Atmosphäre, und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt mit dem Oxidationsmittel in Kontakt, wobei sich eine zunehmend dickere einkapselnde Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt von der Oberfläche des keramischen Körpers nach außen bildet und gleichzeitig eine bestimmte Menge des schmelzflüssigen Metalls verbraucht wird. Da sich der keramische Behälter durch Verbrauch des Grundmetalls im Inneren des Behälters und Umsetzen dieses Metalls mit dem Oxidationsmittel nach außen entwickelt, bildet sich im Behälter ein Leerraum oder Schrumpfungshohlraum aus.The resulting assembly of the base metal body, a support device, or a bed of refractory particles, typically arranged or contained in a suitable refractory crucible or container, is heated in an oxidizing environment to a temperature above the melting point of the base metal but below the melting point of the oxidation reaction product. However, the operable or preferred temperature range need not extend over the entire temperature range between the melting points of the base metal and the oxidation reaction product. Accordingly, at or within this temperature range, the base metal melts to form molten base metal, and upon contact with the oxidant, the molten metal reacts to form a layer of oxidation reaction product, thereby encapsulating or entrapping the unreacted molten base metal. With continued exposure to the oxidizing environment, molten base metal is transported into and through the previously formed encapsulating layer of oxidation reaction product toward the oxidant. The transported molten metal contacts the oxidant at the interface between the oxidant, typically the atmosphere, and previously formed oxidation reaction product, whereby an increasingly thick encapsulating layer of oxidation reaction product separates from the surface of the ceramic body to the outside and at the same time a certain amount of the molten metal is consumed. As the ceramic container develops by consuming the base metal inside the container and reacting this metal with the oxidizing agent to the outside, a void or shrinkage cavity forms in the container.
Typischerweise ist der keramische Behälter für ein Wärmespeichermedium, der entsprechend der Erfindung hergestellt wird, dünn im Verhältnis zu der Dicke oder den Abmessungen des nicht umgesetzten Grundmetalls, das im Behälter zurückbleibt. Somit kann der Hohlraum, der beim vorliegenden Prozeß zwangsläufig gebildet wird, die Ausdehnung des Metallsubstrats beim Erhitzen und Schmelzen bei der Anwendung aufnehmen, die sonst aufgrund der fehlenden Übereinstimmung der thermischen Ausdehnung des Metallsubstrats und des keramischen Behälters und der Volumenänderung beim Schmelzen des Metalls ein Versagen des keramischen Behälters verursachen würde. Die Reaktion wird für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, eine geeignete Wanddicke für die bzw. den einkapselnde(n) keramische(n) Schicht, Überzug oder Behälter zu entwickeln, wodurch der Behälter einstückig mit dem darunterliegenden nicht umgesetzten Grundmetall gebildet wird. Es versteht sich jedoch, daß, obwohl der keramische Behälter einstückig mit dem darunterliegenden nicht umgesetzten Grundmetall gebildet wird und sich ein Raum oder Leervolumen entwickelt, sich die Position dieses Hohlraums und/oder enthaltenen Metalls während der Anwendung des Wärmespeichermediums bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt oder der Liquidustemperatur der Legierung des Metallkörpers bewegen, verschieben oder sonstwie verändern oder umverteilen kann. Die geeignete Wanddicke hängt von Faktoren ab, die mit der jeweiligen Ausführungsform zusammenhängen, wie z.B. der Art und Zusammensetzung des Grundmetalls, den Abmessungen und der äußeren Form des Grundmetallkörpers, den Parametern der Anwendung und den mechanischen Belastungen, denen das Wärmespeichermedium während der Anwendung ausgesetzt ist. Zum Beispiel hat sich ein keramischer Behälter von ungefähr 1 bis 2,5 mm (0,04 bis 0,1 in) Dicke, der aus einem kugelförmigen Körper aus einer Aluminiumlegierung als Grundmetall von ungefähr 2,54 cm (1 in) entwickelt wurde, als ausreichend für die adäquate Aufnahme des nicht oxidierten Grundmetallsubstrats bei einer mäßigen äußeren Beanspruchung bei Anwendungstemperaturen oberhalb der Liquidustemperatur der Aluminiumlegierung erwiesen.Typically, the ceramic container for a heat storage medium made in accordance with the invention is thin relative to the thickness or dimensions of the unreacted parent metal remaining in the container. Thus, the cavity inevitably formed in the present process can accommodate the expansion of the metal substrate upon heating and melting in use, which would otherwise cause failure of the ceramic container due to the mismatch of the thermal expansion of the metal substrate and the ceramic container and the volume change as the metal melts. The reaction is continued for a time sufficient to develop an appropriate wall thickness for the encapsulating ceramic layer, coating or container, thereby forming the container integral with the underlying unreacted parent metal. It will be understood, however, that although the ceramic container is formed integrally with the underlying unreacted base metal and a space or void volume develops, the position of this void and/or contained metal may move, shift or otherwise change or redistribute during use of the heat storage medium at temperatures above the melting point or liquidus temperature of the alloy of the metal body. The appropriate wall thickness will depend on factors related to the particular embodiment, such as the type and composition of the base metal, the dimensions and external shape of the base metal body, the parameters of the application and the mechanical stresses to which the heat storage medium is subjected during use. For example, a ceramic container approximately 1 to 2.5 mm (0.04 to 0.1 in) thick, developed from an approximately 2.54 cm (1 in) spherical body of aluminum alloy as the base metal, has been found to be sufficient to adequately contain the non-oxidized base metal substrate under moderate external stress at application temperatures above the liquidus temperature of the aluminum alloy.
Der keramische Behälter der vorliegenden Erfindung besteht aus dem Produkt der Oxidationsreaktion des Grundmetalls mit dem Oxidationsmittel. Es sollte klar sein, daß das Oxidationsreaktionsprodukt, das den keramischen Behälter bildet, nicht umgesetztes Grundmetall und/oder Porosität enthalten kann, die aus einem teilweisen oder nahezu vollständigen Ersatz des Metalls resultieren kann, aber die Volumenprozente des Grundmetalls und/oder der Hohlräume im keramischen Behälter hängen zum großen Teil von solchen Bedingungen wie der Temperatur, der Zeit und der Art des Grundmetalls ab. Die Phase aus Oxidationsreaktionsprodukt liegt in Form von Kristalliten vor, die zumindest teilweise zusammenhängen, vorzugsweise in drei Dimensionen. Somit weist der keramische Behälter viele der erwünschten Eigenschaften einer klassischen Keramik (d.h. Härte, Hitzebeständigkeit, Verschleißfestigkeit etc.) auf, während er zusätzlichen Nutzen (in Fällen, in denen eine nennenswerte Metallphase vorhanden ist) aus der Anwesenheit der verteilten oder transportierten nicht umgesetzten Metallphase ziwht, vor allem eine höhere Bruchzähigkeit und -festigkeit, und, in diesem Zusammenhang noch wichtiger, eine höhere Wärmeleitfähigkeit über die Wanddicke des keramischen Behälters, wodurch ein wirkungsvollerer Energietransfer von der Energiequelle außerhalb des keramischen Behälters zum Metallsubstrat für die Speicherung bewirkt wird.The ceramic container of the present invention consists of the product of the oxidation reaction of the parent metal with the oxidizing agent. It should be understood that the oxidation reaction product forming the ceramic container may contain unreacted parent metal and/or porosity resulting from partial or nearly complete replacement of the metal, but the volume percent of parent metal and/or voids in the ceramic container depends in large part on such conditions as temperature, time, and the nature of the parent metal. The oxidation reaction product phase is in the form of crystallites which are at least partially interconnected, preferably in three dimensions. Thus, the ceramic container has many of the desirable properties of a classical ceramic (i.e., hardness, heat resistance, wear resistance, etc.) while deriving additional benefits (in cases where a significant metal phase is present) from the presence of the dispersed or transported unreacted metal phase, in particular higher fracture toughness and strength, and, more importantly in this context, higher thermal conductivity across the wall thickness of the ceramic container, thereby causing a more efficient energy transfer from the energy source outside the ceramic container to the metal substrate for storage.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Überzugsmaterial aus einem geeigneten Füllstoff auf die Oberfläche des Grundmetallkörpers aufgetragen. Das Überzugsmaterial kann aus einem inerten Füllstoffmaterial bestehen, wie z.B. Teilchen aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid, Whiskern, Fasern oder dergleichen. Das Füllstoffmaterial wird auf irgendeine geeignete Weise auf die äußere Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen und paßt sich den äußeren Abmessungen des Metallkörpers an. Zum Beispiel kann das Füllstoffmaterial mit einem organischen Bindemittel, wie z.B. Polvvinylalkohol oder Methylcellulose, vermischt werden, um während der Formgebung genügend Naßfestigkeit zu erzielen, und bei den Prozeßtemperaturen wird es durch Verdampfen oder Verflüchtigen eliminiert. Während des Aufheizens und im gesamten Temperaturintervall sollte der Überzug aus Füllstoffmaterial den Unterschied der thermischen Ausdehnung des Füllstoffs und des Grundmetalls plus einer Volumenveränderung des Metalls am Schmelzpunkt aufnehmen können. Wenn das schmelzflüssige Grundmetall mit dem Oxidationsmittel reagiert entwickelt sich Oxidationsreaktionsprodukt und infiltriert das Bett oder den Überzug aus Füllstoffmaterial. Somit besteht der resultierende keramische Behälter aus einem Verbundkörper mit einer keramischen Matrix aus Oxidationsreaktionsprodukt, die die Bestandteile des Überzugsmaterials einbettet. Wenn es gewünscht wird kann das Überzugsmaterial aus einem Material bestehen, das zumindest teilweise mit dem schmelzflüssigen Grundmetall reagiert. Zum Beispiel können im Falle eines Aluminium-Grundmetalls, das an Luft oxidiert wird, mit Aluminiumoxid als dem angestrebten Reaktionsprodukt, Siliziumoxid oder Siliziumverbindungen oder Bor oder Borverbindungen als das Füllstoffmaterial verwendet werden. Diese Verbindungen reagieren, zumindest teilweise, mit dem schmelzflüssigen Aluminium-Grundmetall. In einem derartigen Fall kann der Oxidationsreaktion des Grundmetalls mit dem Oxidationsmittel die Reaktion des Grundmetalls mit dem Füllstoffmaterial vorausgehen oder kann von dieser begleitet sein. Der Überzug aus Füllstoffmaterialien kann auch aus Mischungen reaktiver und inerter Materialien bestehen, wie in denjenigen Mischungen, die in anorganischen Tonen vorhanden sind. Somit ist es möglich, die Zusammensetzung oder die Eigenschaften des Überzugs maßzuschneidern.In a preferred embodiment of the invention, a coating material of a suitable filler is applied to the surface of the base metal body. The coating material may consist of an inert filler material such as particles of aluminum oxide, aluminum nitride or silicon carbide, whiskers, fibers or the like. The filler material is applied to the outer surface of the base metal in any suitable manner and conforms to the outer dimensions of the metal body. For example, the filler material may be mixed with an organic binder such as polyvinyl alcohol or methyl cellulose to provide sufficient wet strength during molding and is eliminated by evaporation or volatilization at process temperatures. During heating and throughout the temperature interval, the coating of filler material should be able to accommodate the difference in thermal expansion of the filler and the base metal plus a volume change of the metal at the melting point. When the molten parent metal reacts with the oxidant, oxidation reaction product develops and infiltrates the bed or coating of filler material. Thus, the resulting ceramic container consists of a composite body with a ceramic matrix of oxidation reaction product embedding the components of the coating material. If desired, the coating material can consist of a material that at least partially reacts with the molten parent metal. For example, in the case of an aluminum parent metal that is oxidized in air, with alumina as the desired reaction product, silicon oxide or silicon compounds or boron or boron compounds can be used as the filler material. These compounds react, at least partially, with the molten aluminum parent metal. In such a case, the oxidation reaction of the parent metal with the oxidant can be preceded or accompanied by the reaction of the parent metal with the filler material. The coating of filler materials can also consist of mixtures of reactive and inert materials, such as those present in inorganic clays. It is thus possible to tailor the composition or properties of the coating.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen ein Überzug aus Füllstoffmaterial verwendet und auf die Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen wird, kann ein Sperrmaterial, wie es in der oben diskutierten Patentanmeldung EP-A-245193 desselben Anmelders offengelegt wurde, angrenzend an das Überzugsmaterial und somit gegenüber der Oberfläche des Körpers aus Grundmetall angeordnet werden. Wie in der Patentanmeldung desselben Anmelders offengelegt wurde, wird das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukt im wesentlichen durch das Sperrmittel angehalten, so daß die keramische Matrix im Überzug aus Füllstoffmaterial enthalten ist. Wie in der oben erwähnten EP-A-2451 93 offengelegt wurde, können geeignete Sperrmittel jede(s) beliebige Material, Verbindung, Element, Zusammensetzung oder dergleichen sein, welches unter den Prozeßbedingungen dieser Erfindung einen gewissen Zusammenhalt bewahrt, nicht exzessiv flüchtig und vorzugsweise für das Dampfphasenoxidationsmittel durchlässig ist, während es gleichzeitig in der Lage ist, das fortgesetzte Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts lokal zu hemmen, zu vergiften, zu stoppen, zu beeinflussen, zu verhindern oder dergleichen. Zu geeigneten Sperren für die Verwendung mit einem Aluminium-Grundmetall und Oxidationsmitteln vom Typ sauerstoffhaltiger Gase gehören Kalziumsulfat (Gips), Kalziumsilikat, wie z.B. Wollastonit, Portland-Zement und Kombinationen davon. Weiterhin kann, wenn ein Sperrmaterial verwendet wird, auch ein geeignetes hitzebeständiges teilchenförmiges Material enthalten sein, damit ein mögliches Schrumpfen oder Springen vermindert wird, das sonst während des Prozesses beim Erhitzen erfolgen kann und die Morphologie des keramischen Behälters beeinträchtigen würde. Wie oben diskutiert wurde, sind viele dieser Sperrmaterialien von Haus aus selbsttragend, wenn man sie abbinden oder hydrolysieren läßt.In embodiments of the present invention where a coating of filler material is used and applied to the surface of the base metal, a barrier material as disclosed in the above-discussed patent application EP-A-245193 of the same applicant may be disposed adjacent to the coating material and thus opposite the surface of the body of base metal. As disclosed in the above-discussed patent application of the same applicant, the growth of the oxidation reaction product is substantially arrested by the barrier means so that the ceramic matrix is contained within the coating of filler material. As disclosed in the above-mentioned EP-A-2451 93, Suitable barrier agents may be any material, compound, element, composition or the like which maintains some integrity under the process conditions of this invention, is not excessively volatile and is preferably permeable to the vapor phase oxidant while at the same time being capable of locally inhibiting, poisoning, stopping, affecting, preventing or the like the continued growth of the oxidation reaction product. Suitable barriers for use with an aluminum parent metal and oxygen-containing gas type oxidants include calcium sulfate (gypsum), calcium silicate such as wollastonite, Portland cement and combinations thereof. Furthermore, if a barrier material is used, a suitable heat resistant particulate material may also be included to reduce possible shrinkage or cracking which may otherwise occur during the process upon heating and which would affect the morphology of the ceramic container. As discussed above, many of these barrier materials are inherently self-supporting when allowed to set or hydrolyze.
Obwohl die Erfindung hier mit besonderem Bezug auf Aluminium als bevorzugtes Grundmetall beschrieben wird, können auch andere geeignete Grundmetalle verwendet werden, die die Kriterien der vorliegenden Erfindung erfüllen und brauchbare Wärmespeichermedien darstellen, wie z.B. Silizium, Titan, Zirkonium, Hafnium und Zinn. In der FIGUR 1 ist ein Wärmespeichermedium dargestellt, das entsprechend der Erfindung hergestellt wurde. Das Grundmetall besteht vorzugsweise aus einer eutektischen Legierung mit einer hohen Schmelzungsentropie, wie z.B. einer Aluminium-Silizium-Legierung, mit einem Eutektikum von 580ºC bei 12,5 Gewichtsprozent Silizium. Hypereutektische Legierungen und ternäre oder aus mehr Komponenten bestehende Legierungen können ebenfalls nützlich für die Optimierung der Wärmespeicherung sein. Zum Wärmespeichermedium gehört der keramische Behälter 4, der den Körper aus Grundmetall 6 einkapselt, der aus dem verbliebenen nicht transportierten und nicht umgesetzen Grundmetall besteht. Ein Raum oder Leerraum 8, der aus dem Verbrauch des Grundmetallkörpers resultiert, hat ein ausreichendes Volumen, um die Ausdehnung des Metalls während des Einsatzes aufnehmen zu können.Although the invention is described herein with particular reference to aluminum as the preferred parent metal, other suitable parent metals that meet the criteria of the present invention and are useful heat storage media may also be used, such as silicon, titanium, zirconium, hafnium and tin. A heat storage medium made in accordance with the invention is shown in FIGURE 1. The parent metal is preferably a high entropy eutectic alloy, such as an aluminum-silicon alloy having a eutectic of 580°C at 12.5 weight percent silicon. Hypereutectic alloys and ternary or multicomponent alloys may also be useful for optimizing heat storage. The heat storage medium includes the ceramic container 4 which encapsulates the body of parent metal 6, which consists of the remaining untransported and unreacted parent metal. A space or void 8 resulting from the consumption of the base metal body has a volume sufficient to accommodate the expansion of the metal during use.
Bestimmte Grundmetalle, die als Wärmespeichermedium brauchbar sind, erfüllen ohne spezielle Zugaben oder Modifikationen unter bestimmten Bedingungen bezüglich der Temperatur und der oxidierenden Umgebung die Kriterien, die für die gerichtete Oxidationsreaktion erforderlich sind. Zum Beispiel kann die Aluminiumlegierung 4032, die ungefähr 12 Gewichtsprozent Silizium und 1 Gewichtsprozent Magnesium enthält, besonders geeignet sein.Certain base metals useful as heat storage media meet the criteria required for the directed oxidation reaction without special additions or modifications under certain conditions of temperature and oxidizing environment. For example, aluminum alloy 4032, which contains approximately 12 weight percent silicon and 1 weight percent magnesium, may be particularly suitable.
Wie oben festgestellt wurde, kann das Grundmetall der vorliegenden Erfindung ein relativ reines Metall sein, z.B. Aluminium, aber vorzugsweise ist es eine Legierung, die einen nennenswerten Gehalt an Silizium und/oder Kohlenstoff enthält, vorausgesetzt, daß das Grundmetall mit dem Prozeß der Oxidationsreaktion vereinbar ist. Deshalb kann das jeweilige Grundmetall so gewählt werden, daß die gewünschten Wärmespeichereigenschaften in einem resultierenden Wärmespeichermedium oder -transfermedium erhalten werden. Durch Variieren der Legierungszusammensetzung des Grundmetalls können die Charakteristika der Phasenübergänge des Metallkörpers während der Anwendung als das jeweilige Wärmespeichermedium maßgeschneidert werden, wodurch die Wärmespeichereigenschatten des Mediums beeinflußt werden. Die Art des Metallkörpers der vorliegenden Erfindung ist demnach nicht auf das Grundmetall beschränkt, d.h. das Metall, das mit dem Oxidationsmittel unter Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts reagiert, z.B. Aluminium an Luft unter Bildung von Aluminiumoxid. Zum Beispiel haben Aluminium-Silizium-Legierungen allgemein hohe Wärmespeicherdichten, da Aluminium und besonders Silizium hohe Schmelzungsentropien aufweisen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann ein Grundmetall aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt von bis zu ungefähr 30 Gewichtsprozent unter Ausbildung eines Behälters aus einem Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid oxidiert werden, ohne daß eine nennenswerte Menge des Siliziummetalls reagiert. Somit kann sich die Zusammensetzung des Metallkörpers nach der Oxidation, zumindest was die relativen Anteile betrifft, von der Zusammensetzung des Grundmetallkörpers vor dem Beginn der Oxidationsreaktion unterscheiden.As stated above, the base metal of the present invention may be a relatively pure metal, e.g. aluminium, but preferably it is an alloy containing a significant amount of silicon and/or carbon, provided that the base metal is compatible with the oxidation reaction process. Therefore, the particular base metal may be selected to obtain the desired heat storage properties in a resulting heat storage medium or transfer medium. By varying the alloy composition of the base metal, the characteristics of the phase transitions of the metal body during use as the respective heat storage medium, thereby influencing the heat storage properties of the medium. The type of metal body of the present invention is therefore not limited to the parent metal, that is, the metal which reacts with the oxidizing agent to form the oxidation reaction product, e.g. aluminum in air to form aluminum oxide. For example, aluminum-silicon alloys generally have high heat storage densities because aluminum and especially silicon have high entropies of fusion. According to the present invention, a parent metal of an aluminum alloy having a silicon content of up to about 30 weight percent can be oxidized to form a container of an oxidation reaction product of aluminum oxide without any appreciable amount of the silicon metal reacting. Thus, the composition of the metal body after oxidation can differ, at least in terms of relative proportions, from the composition of the parent metal body before the oxidation reaction begins.
Es kann ein festes, ein flüssiges oder ein Dampfphasenoxidationsmittel oder eine Kombination derartiger Oxidationsmittel verwendet werden, wie oben festgestellt wurde. Zu typischen Oxidationsmitteln gehören z.B., ohne Einschränkung, Sauerstoff, Stickstoff, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur und Verbindungen und Kombinationen von diesen, z.B. Siliziumoxid (als eine Sauerstoffquelle), Methan, Ethan, Propan, Acetylen, Ethylen und Propylen (als Kohlenstoffquellen), und Mischungen, wie z.B. Luft, H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;, wobei die letzteren beiden (d.h. H&sub2;/H&sub2;O und CO/CO&sub2;) für die Reduzierung der Sauerstoffaktivität der Umgebung nützlich sind.A solid, liquid or vapor phase oxidizer or a combination of such oxidizers may be used, as stated above. Typical oxidizers include, for example, without limitation, oxygen, nitrogen, a halogen, sulfur, phosphorus, arsenic, carbon, boron, selenium, tellurium, and compounds and combinations of these, e.g., silicon oxide (as an oxygen source), methane, ethane, propane, acetylene, ethylene and propylene (as carbon sources), and mixtures such as air, H₂/H₂O and CO/CO₂, the latter two (i.e., H₂/H₂O and CO/CO₂) being useful for reducing the oxygen activity of the environment.
Es wird ein Dampfphasen-Oxidationsmittel (Gas) bevorzugt, und spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden hier unter Bezug auf die Verwendung von Dampfphasenoxidationsmitteln beschrieben. Wenn ein Gas- oder Dampfphasenoxidationsmittel verwendet wird, ist die Einbettung oder der Überzug aus Füllstoff durchlässig für das Gas, so daß bei Exposition des Füllstoffüberzugs gegen das Oxidationsmittel das Dampfphasenoxidationsmittel das Füllstoffbett durchdringt und mit dem schmelzflüssigen Grundmetall darin in Kontakt tritt. Der Begriff "Dampfphasenoxidationsmittel" bedeutet ein verdampftes oder normalerweise gasförmiges Material, das eine oxidierende Atmosphäre schafft. Zum Beispiel sind Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Gasmischungen (einschließlich Luft) bevorzugte Dampfphasenoxidationsmittel, wie in dem Falle, daß Aluminium das Grundmetall ist, wobei Luft aus offensichtlichen wirtschaftlichen Gründen gewöhnlich stärker bevorzugt wird. Wenn für ein Dampfphasenoxidationsmittel angegeben wird, daß es ein spezielles Gas oder einen speziellen Dampf enthält oder aufweist, bedeutet das ein Oxidationsmittel, in dem das angegebene Gas oder der angegebene Dampf der alleinige Oxidierer des Grundmetalls unter den Bedingungen ist, die in der eingesetzten oxidierenden Umgebung herrschen. Zum Beispiel ist, obwohl der Hauptbestandteil von Luft Stickstoff ist, der Sauerstoffgehalt der Luft der Oxidierer des Grundmetalls, da Sauerstoff ein erheblich stärkeres Oxidationsmittel als Stickstoff ist. Luft fällt demnach unter die Definition eines Oxidationsmittels vom Typ eines "Sauerstoff enthaltenden Gases", aber nicht unter die Definition eines Oxidationsmittels vom Typ eines "Stickstoff enthaltenden Gases". Ein Beispiel für ein Oxidationsmittel vom Typ eines "Stickstoff enthaltenden Gases", wie es hier und in den Ansprüchen verwendet wird, ist "Formiergas", das ungefähr 96 Volumenprozent Stickstoff und 4 Volumenprozent Wasserstoff enthält.A vapor phase (gas) oxidant is preferred and specific embodiments of the invention are described herein with reference to the use of vapor phase oxidants. When a gas or vapor phase oxidant is used, the filler bed or coating is permeable to the gas so that upon exposure of the filler coating to the oxidant, the vapor phase oxidant penetrates the filler bed and contacts the molten parent metal therein. The term "vapor phase oxidant" means a vaporized or normally gaseous material which creates an oxidizing atmosphere. For example, oxygen or oxygen-containing gas mixtures (including air) are preferred vapor phase oxidants, as in the case where aluminum is the parent metal, with air usually being more preferred for obvious economic reasons. When a vapor phase oxidizer is specified as containing or comprising a specific gas or vapor, it means an oxidizer in which the specified gas or vapor is the sole oxidizer of the parent metal under the conditions prevailing in the oxidizing environment used. For example, although the major constituent of air is nitrogen, the oxygen content of the air is the oxidizer of the parent metal because oxygen is a significantly stronger oxidizer than nitrogen. Air therefore falls within the definition of an "oxygen-containing gas" type oxidizer, but not within the definition of a "nitrogen-containing gas" type oxidizer. An example of a The "nitrogen-containing gas" type oxidizer as used herein and in the claims is "forming gas" containing approximately 96 volume percent nitrogen and 4 volume percent hydrogen.
Wenn ein festes Oxidationsmittel eingesetzt wird, wird es gewöhnlich in der gesamten Einbettung oder dem gesamten Füllstoffüberzug oder in einem Teil des Überzugs, der an das Grundmetall angrenzt, verteilt, in Form von mit dem Füllstoff gemischten Teilchen oder Pulvern, oder eventuell als ein Film oder Überzug auf den Füllstoffteilchen. Jedes geeignete feste Oxidationsmittel kann angewandt werden, einschließlich von Elementen, wie z.B. Bor oder Kohlenstoff, oder reduzierbaren Verbindungen, wie z.B. Siliziumdioxid oder bestimmten Boride von geringerer thermodynamischer Stabilität als das Borid-Reaktionsprodukt des Grundmetalls. Wenn z.B. Bor oder ein reduzierbares Borid als festes Oxidationsmittel für ein Aluminiumgrundmetall verwendet wird, dann ist das resultierende Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumborid.When a solid oxidizer is employed, it is usually distributed throughout the entire embedment or filler coating, or in a portion of the coating adjacent to the parent metal, in the form of particles or powders mixed with the filler, or possibly as a film or coating on the filler particles. Any suitable solid oxidizer may be employed, including elements such as boron or carbon, or reducible compounds such as silicon dioxide or certain borides of lower thermodynamic stability than the boride reaction product of the parent metal. For example, when boron or a reducible boride is used as a solid oxidizer for an aluminum parent metal, the resulting oxidation reaction product is aluminum boride.
In einigen Fällen kann die Oxidationsreaktion mit einem festen Oxidationsmittel so schnell voranschreiten, daß das Oxidationsreaktionsprodukt aufgrund der exothermen Natur des Prozesses zum Verschmelzen neigt. Dieses Geschehen kann die Einheitlichkeit der Mikrostruktur des keramischen Körpers verringern. Diese schnelle exotherme Reaktion kann dadurch vermieden werden, daß relativ inerte Füllstoffe geringer Reaktivität der Anordnung zugemischt werden. Solche Füllstoffe absorbieren die Reaktionswärme und minimieren einen möglichen thermischen Durchgeheffekt. Ein Beispiel für einen derartigen geeigneten inerten Füllstoff ist einer, der im wesentlichen der gleiche wie das angestrebte Oxidationsreaktionsprodukt ist.In some cases, the oxidation reaction with a solid oxidant may proceed so rapidly that the oxidation reaction product tends to fuse due to the exothermic nature of the process. This occurrence may reduce the uniformity of the microstructure of the ceramic body. This rapid exothermic reaction may be avoided by mixing relatively inert fillers of low reactivity into the assembly. Such fillers absorb the heat of reaction and minimize any possible thermal runaway effect. An example of such a suitable inert filler is one that is substantially the same as the desired oxidation reaction product.
Wenn ein flüssiges Oxidationsmittel eingesetzt wird, kann das gesamte Füllstoffbett oder ein an das schmelzflüssige Metall angrenzender Teil mit dem Oxidationsmittel beschichtet oder eingeweicht werden, um den Füllstoff zu imprägnieren. Ein Verweis auf ein flüssiges Oxidationsmittel bedeutet eines, das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion als Flüssigkeit vorliegt und so kann ein flüssiges Oxidationsmittel einen festen Vorläufer besitzen, wie z.B. ein Salz das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion geschmolzen ist. Alternativ kann das flüssige Oxidationsmittel ein flüssiger Vorläufer oder eine Lösung sein, die zur lmprägnierung eines Teils oder des gesamten Füllstoffs verwendet wird, und das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion unter Bildung einer geeigneten oxidierenden Spezies geschmolzen oder zersetzt wird. Zu den Beispielen für flüssige Oxidationsmittel, wie sie hier definiert wurden, gehören niedrig schmelzende Gläser.When a liquid oxidizer is employed, the entire filler bed or a portion adjacent to the molten metal may be coated or soaked with the oxidizer to impregnate the filler. Reference to a liquid oxidizer means one that exists as a liquid under the conditions of the oxidation reaction, and so a liquid oxidizer may have a solid precursor, such as a salt, that is molten under the conditions of the oxidation reaction. Alternatively, the liquid oxidizer may be a liquid precursor or solution used to impregnate part or all of the filler and that is melted or decomposed under the conditions of the oxidation reaction to form a suitable oxidizing species. Examples of liquid oxidizers as defined herein include low melting glasses.
Das Füllstoffrnaterial, das für die Anwendung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung nützlich ist, ist eines, das unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion der Erfindung, wie unten beschrieben, durchlässig für den Durchtritt des Oxidationsmittels ist, wenn das Oxidationsmittel ein Dampfphasenoxidationsmittel ist. Auf jeden Fall ist der Füllstoff auch durchlässig für das Wachstum oder die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts durch ihn hindurch. Der Füllstoff weist bei der Verarbeitungstemperatur auch genügend kohäsive Stabilität auf, die sich am Anfang oder schnell bildet oder entwickelt, so daß er die äußeren Abmessungen bewahrt, die in ihm durch Anpassung des Füllstoffs an den Körper aus Grundmetall wiederholt wurden, wenn schmelzflüssiges Metall unter gleichzeitiger Bildung des Hohlraums aus dem Hohlraum, der anfangs vom Metallkörper ausgefüllt war, auswandert. Wenn eir gasförmiges Oxidationsmittel verwendet wird, dann ist das gebildete Oxidationsreaktionsprodukt im allgemeinen undurchlässig für die umgebende Atmosphäre, und deshalb kann die Schmelzofenatmosphäre, d.h. Luft, nicht in den sich entwickelnden Hohlraum eindringen. Auf diese Weise entwickelt sich im Hohlraum, der durch die Wanderung des schmelzflüssigen Grundmetalls gebildet wird, ein Bereich niedrigen Drucks. Die sich entwickelnde Haut aus Oxidationsreaktionsprodukt ist gewöhnlich zunächst zu schwach, als daß sie dem Druckunterschied, der sich somit über sie aufbaut, zusammen mit der Schwerkraft, Widerstand leisten könnte, so daß sie, ohne weitere Unterstützung, dazu neigt, nach innen zu kollabieren, wodurch zumindest ein Teil des evakuierten Bereichs durch das schmelzflüssige Grundmetall ausgefüllt wird, wodurch die Form des Hohlraums verloren geht, die ursprünglich vom Metallkörper dargestellt wurde. Um diesen Zusammenbruch, oder teilweisen Zusammenbruch, zu vermeiden, wählt man vorzugsweise einen Füllstoff, der bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des Grundmetalls und nahe (aber unterhalb) der Temperatur der Oxidationsreaktion teilweise sintert oder auf andere Weise ausreichend abbindet oder an die wachsende Schicht aus Oxidationsreaktionsprodukt bindet, um von der Außenseite des Hohlraums strukturelle Stabilität zu liefern, daß die wiederholten äußeren Abmessungen der Form im sich entwickelnden Hohlraum erhalten bleiben, zumindest bis die wachsende Struktur aus Oxidationsreaktionsprodukt eine ausreichende Dicke erreicht hat, um sich selbst gegen den ausgebildeten Druckunterschied über die Wand des Hohlraums abzustützen.The filler material useful in the practice of certain embodiments of the invention is one which is permeable to the passage of the oxidant under the conditions of the oxidation reaction of the invention as described below when the oxidant is a vapor phase oxidant. In any event, the filler is also permeable to the growth or development of the oxidation reaction product therethrough. The filler also has sufficient cohesive stability at the processing temperature, which initially or rapidly forms or develops, so that it retains the external dimensions repeated in it by conformation of the filler to the body of base metal when molten metal is discharged from the cavity, with simultaneous formation of the cavity, the initially filled by the metal body. When a gaseous oxidant is used, the oxidation reaction product formed is generally impermeable to the surrounding atmosphere and therefore the furnace atmosphere, i.e. air, cannot penetrate into the developing cavity. In this way a region of low pressure develops in the cavity formed by the migration of the molten parent metal. The developing skin of oxidation reaction product is usually too weak at first to resist the pressure differential thus built up across it, together with the force of gravity, so that without further support it tends to collapse inwards, causing at least part of the evacuated region to be filled by the molten parent metal, thereby losing the shape of the cavity originally presented by the metal body. To avoid this collapse, or partial collapse, it is preferable to select a filler that partially sinters or otherwise sufficiently sets or bonds to the growing layer of oxidation reaction product at a temperature above the melting point of the parent metal and near (but below) the temperature of the oxidation reaction, to provide structural stability from the outside of the cavity such that the repeated external dimensions of the mold are maintained in the developing cavity, at least until the growing structure of oxidation reaction product has attained sufficient thickness to support itself against the developed pressure differential across the wall of the cavity.
Ein geeigneter selbstbindender Füllstoff ist einer, der, bei der geeigneten Temperatur, entweder von Haus aus sintert oder durch geeignete Zusätze oder Modifikationen der Oberfläche des Füllstoffs zum Sintern oder Binden gebracht werden kann. Zum Beispiel besteht ein geeigneter Füllstoff für die Verwendung mit einem Aluminium-Grundmetall unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel aus Aluminiumoxidpulver mit einem zugesetzten Bindemittel aus Siliziumoxid in Form feiner Teilchen auf dem Aluminiumoxidpulver. Derartige Materialmischungen sintern oder binden teilweise bei den oder unterhalb der Bedingungen der Oxidationsreaktion, unter denen sich die keramische Matrix bildet. Ohne den Zusatz aus Siliziumoxid benötigen die Aluminiumoxidteilchen wesentlich höhere Temperaturen zum Binden. Zu einer anderen geeigneten Klasse von Füllstoffmaterialien gehören Teilchen oder Fasern, die, unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion des Prozesses, eine Haut aus Reaktionsprodukt auf ihren Oberflächen bilden, die dazu neigt, die Teilchen im gewünschten Temperaturbereich zu binden. Ein Beispiel aus dieser Füllstoffklasse sind, wenn Aluminium als Grundmetall und Luft als Oxidationsmittel eingesetzt werden, feine Teilchen aus Siliziumkarbid [z.B. 28 um (500 Mesh) und feiner], die eine Haut aus Siliziumdioxid bilden, die sie in dem für die Oxidationsreaktion des Aluminiums richtigen Temperaturbereich aneinander bindet.A suitable self-bonding filler is one that, at the appropriate temperature, either sinters naturally or can be caused to sinter or bond by suitable additives or modifications to the surface of the filler. For example, a suitable filler for use with an aluminum base metal using air as an oxidant consists of alumina powder with an added binder of silica in the form of fine particles on the alumina powder. Such mixtures of materials partially sinter or bond at or below the conditions of the oxidation reaction under which the ceramic matrix is formed. Without the silica additive, the alumina particles require much higher temperatures to bond. Another suitable class of filler materials includes particles or fibers that, under the conditions of the oxidation reaction of the process, form a skin of reaction product on their surfaces that tends to bond the particles in the desired temperature range. An example of this class of fillers, when aluminum is used as the base metal and air as the oxidant, are fine particles of silicon carbide [e.g. 28 um (500 mesh) and finer] which form a skin of silicon dioxide which binds them together in the correct temperature range for the oxidation reaction of the aluminum.
Es ist nicht erforderlich, daß die gesamte Masse oder das gesamte Bett aus Füllstoff aus einem sinterbaren oder selbstbindenden Füllstoff bestehen oder daß sie ein Sinter- oder Bindemittel enthalten, obwohl eine derartige Anordnung im Rahmen der Erfindung liegt. Der selbstbindende Füllstoff und/oder das Binde- oder Sintermittel können auch nur in dem Bereich des Füllstoffbetts verteilt sein, der an den Körper aus Grundmetall angrenzt und ihn in einer Dicke umgibt, die ausreicht, beim Sintern oder sonstigen Binden eine Einkapselung des sich entwickelnden Hohlraums zu bilden, die von ausreichender Dicke und mechanischer Stabilität ist, um ein Zusammenbrechen des Hohlraums zu verhindern, bis eine ausreichende Dicke des Oxidationsreaktionsprodukts erzielt worden ist. Somit reicht es aus, wenn eine "Stützzone" aus Füllstoff, die die Form einhüllt, einen Füllstoff aufweist, der von Haus aus im geeigneten Temperaturbereich sinterbar oder selbstbindend ist, oder der ein Sinter- oder Bindemittel enthält, das innerhalb des geeigneten Temperaturbereichs wirksam ist. Wie es hierin und in den Ansprüchen verwendet wird, ist eine "Stützzone" aus einem Füllstoff diejenige Dicke des Füllstoffs, die den Grundmetallkörper einschließt, welche, nach dem Abbinden, zumindest ausreicht, die strukturelle Stabilität zu liefern, die erforderlich ist, die wiederholten äußeren Abmessungen des Metallkörpers zu bewahren, bis das wachsende Oxidationsreaktionsprodukt sich selbst gegen den Zusammenbruch des Hohlraums abstützen kann, wie oben beschrieben wurde. Die Größe der Stützzone aus Füllstoff variiert in Abhängigkeit von der Größe und Konfiguration des Metallkörpers und der mechanischen Stabilität, die durch den sinterbaren oder selbstbindenden Füllstoff in der Stützzone erzielt wird. Die Stützzone kann sich von der Oberfläche des Metallkörpers über eine Strecke in das Füllstoffbett erstrecken, die geringer ist als die, über die das Oxidationsreaktionsprodukt wächst, oder über die gesamte Wachstumsstrecke. Tatsächlich kann in einigen Fällen die Stützzone recht dünn sein. Zum Beispiel kann, obwohl die Stützzone des Füllstoffs ein Füllstoffbett sein kann, das das Grundmetall einkapselt und selbst von einem größeren Bett aus Füllstoff eingeschlossen ist, der nicht selbstbindend oder nicht sinterbar ist, die Stützzone in geeigneten Fällen lediglich aus einem Überzug aus selbstbindenden oder sinterbaren Teilchen bestehen, die mit einem geeigneten Kleber oder Überzug an der Form angebracht sind.It is not necessary that the entire mass or bed of filler consist of a sinterable or self-binding filler or that they contain a sintering or binding agent, although such an arrangement is within the scope of the invention. The self-binding filler and/or the binding or sintering agent may also be distributed only in the region of the filler bed which adjoins the body of base metal and surrounds it in a thickness sufficient to form, when sintered or otherwise bonded, an encapsulation of the developing cavity which is of sufficient thickness and mechanical stability to prevent collapse of the cavity until a sufficient thickness of the oxidation reaction product has been achieved. Thus, it is sufficient for a "support zone" of filler enveloping the mold to comprise a filler which is inherently sinterable or self-bonding within the appropriate temperature range, or which contains a sintering or binding agent which is effective within the appropriate temperature range. As used herein and in the claims, a "support zone" of filler is that thickness of filler enclosing the base metal body which, after setting, is at least sufficient to provide the structural stability required to maintain the repeated external dimensions of the metal body until the growing oxidation reaction product can support itself against collapse of the cavity, as described above. The size of the filler support zone will vary depending on the size and configuration of the metal body and the mechanical stability provided by the sinterable or self-bonding filler in the support zone. The support zone may extend from the surface of the metal body into the filler bed for a distance less than that over which the oxidation reaction product grows, or for the entire growth distance. In fact, in some cases the support zone may be quite thin. For example, although the filler support zone may be a filler bed encapsulating the base metal and itself enclosed by a larger bed of filler which is not self-bonding or non-sinterable, in appropriate cases the support zone may consist merely of a coating of self-bonding or sinterable particles attached to the mold with a suitable adhesive or coating.
Auf jeden Fall sollte der Füllstoff nicht sintern, verschmelzen oder auf eine sonstige Weise reagieren, daß er eine undurchlässige Masse bildet und die Infiltration des Oxidationsreaktionsprodukts durch ihn hindurch blockiert, oder, wenn ein Dampfphasenoxidationsmittel verwendet wird, den Durchtritt dieses Dampfphasenoxidationsmittels durch ihn hindurch. Weiterhin sollte jede sich bildende gesinterte Masse sich nicht bei so niedrigen Temperaturen bilden, daß sie aufgrund der fehlenden Übereinstimmung der Ausdehnung des Metalls und des Füllstoffs bricht, ehe die Wachstumstemperatur erreicht ist, wodurch ein nicht homogener Verbundkörper während der Entwicklung der Matrix geschaffen würde, da die Matrix anschließend lediglich die Brüche im gebundenen Füllstoff ausfüllen würde. Zum Beispiel durchläuft ein Aluminium-Grundmetall nicht nur eine thermische Ausdehnung beim Erhitzen des festen oder schmelzflüssigen Metalls, sondern auch eine erhebliche Volumenvergrößerung beim Schmelzen. Das macht es erforderlich, daß das Füllstoffbett, in dem die Form aus Grundmetall eingebettet ist, nicht unter Bildung einer festen Struktur, die die Form aus Grundmetall vor deren im Vergleich zum Füllstoff anderen Ausdehnung einschließt, sintert oder sonstwie selbstbindet, da sonst die Ausdehnung die selbstgebundene Struktur sprengen würde.In any event, the filler should not sinter, fuse or otherwise react to form an impermeable mass and block the infiltration of the oxidation reaction product therethrough or, if a vapor phase oxidant is used, the passage of that vapor phase oxidant therethrough. Furthermore, any sintered mass that forms should not form at temperatures so low that it fractures due to a mismatch in the expansion of the metal and the filler before the growth temperature is reached, thereby creating a non-homogeneous composite during the development of the matrix since the matrix would subsequently simply fill in the fractures in the bonded filler. For example, an aluminum base metal not only undergoes thermal expansion when the solid or molten metal is heated, but also undergoes a significant increase in volume when melted. This makes it necessary that the filler bed in which the base metal mold is embedded does not sinter or otherwise self-bond to form a solid structure that encloses the base metal mold before it expands in comparison to the filler, since otherwise the expansion would burst the self-bonded structure.
Ein Binde- oder Sintermittel kann als eine Komponente des Füllstoffs in den Fällen vorliegen, in denen der Füllstoff sonst von Haus aus keine ausreichende Selbstbindungs- oder Sintercharakteristik aufweisen würde, um ein Zusammenbrechen der keramischen Schicht zu verhindern, die in das Volumen hinein gebildet wurde, das vorher vom Grundmetall besetzt war. Dieses Bindemittel kann im ganzen Füllstoff verteilt sein oder in einem Bereich in der Nähe des Grundmetalls oder an dieses angrenzend. Zu geeigneten Materialien für diesen Zweck gehören organometallische Materialien, die unter den oxidierenden Bedingungen, die für die Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts erforderlich sind, zumindest teilweise zerfallen und den Füllstoff in ausreichendem Maße binden, um ihm die benötigte mechanische Stabilität zu verleihen. Das Bindemittel sollte den Vorgang der Oxidationsreaktion nicht beeinflussen oder unerwünschte Nebenprodukte im keramischen Verbundprodukt zurücklassen. Bindemittel, die für diesen Zweck geeignet sind, sind dem Fachmann gut bekannt. Zum Beispiel stellt Tetraethylorthosilikat ein typisches Beispiel eines geeigneten organometallischen Bindemittels dar, das bei der Temperatur der Oxidationsreaktion Siliziumoxid zurückläßt, das den Füllstoff wirkungsvoll mit der benötigten kohäsiven Stabilität bindet.A binding or sintering agent may be present as a component of the filler in cases where the filler would otherwise not have sufficient self-binding or sintering characteristics to prevent collapse of the ceramic layer. formed into the volume previously occupied by the base metal. This binder may be distributed throughout the filler or in a region near or adjacent to the base metal. Suitable materials for this purpose include organometallic materials which, under the oxidizing conditions required to form the oxidation reaction product, at least partially decompose and bind the filler sufficiently to provide it with the required mechanical stability. The binder should not interfere with the process of the oxidation reaction or leave undesirable byproducts in the ceramic composite product. Binders suitable for this purpose are well known to those skilled in the art. For example, tetraethyl orthosilicate is a typical example of a suitable organometallic binder which, at the temperature of the oxidation reaction, leaves behind silicon oxide which effectively binds the filler with the required cohesive stability.
Wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erläutert wurde, beeinflussen Dotierungsmaterialien, die zusammen mit dem Grundmetall verwendet werden, den Vorgang der Oxidationsreaktion vorteilhaft, besonders in Systemen, die Aluminium als das Grundmetall verwenden. Das Dotierungsmittel oder die Dotierungsmittel, die zusammen oder in Verbindung mit dem Grundmetall verwendet werden, (1) können als legierende Bestandteile des Grundmetalls zur Verfügung stehen, (2) können auf wenigstens einen Teil der Oberfläche des Grundmetalls aufgetragen werden oder (3) können auf das gesamte Füllstoffmaterial oder auf einen Teil davon aufgetragen oder in es eingearbeitet werden, oder es kann eine beliebige Kombination von zwei oder mehr der Techniken (1), (2) oder (3) angewandt werden. Zum Beispiel kann ein einlegiertes Dotierungsmittel allein oder zusammen mit einem zweiten äußerlich aufgetragenen Dotierungsmittel verwendet werden. Im Falle der Technik (3), bei der ein oder mehrere zusätzliche(s) Dotierungsmittel auf das Füllstoffmaterial aufgetragen wird bzw. werden, kann das Auftragen auf jede beliebige geeignete Weise erfolgen, wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erläutert wird.As explained in the patent applications of the same applicant, dopant materials used in conjunction with the parent metal beneficially affect the oxidation reaction process, particularly in systems using aluminum as the parent metal. The dopant or dopants used in conjunction with or in conjunction with the parent metal (1) may be available as alloying constituents of the parent metal, (2) may be applied to at least a portion of the surface of the parent metal, or (3) may be applied to or incorporated into all or a portion of the filler material, or any combination of two or more of the techniques (1), (2), or (3) may be used. For example, an alloyed dopant may be used alone or in conjunction with a second externally applied dopant. In the case of technique (3), where one or more additional dopants are applied to the filler material, the application may be carried out in any suitable manner, as explained in the patent applications of the same applicant.
Die Funktion oder Funktionen eines bestimmten Dotierungsmaterials kann bzw. können von einer Anzahl von Faktoren abhängen. Zu derartigen Faktoren gehören, z.B., das jeweilige Grundmetall, die jeweilige Kombination von Dotierungsmitteln, wenn zwei oder mehr Dotierungsmiftel verwendet werden, die Verwendung eines äußerlich aufgetragenen Dotierungsmittels in Kombination mit einem in das Vorläufermetall einlegierten Dotierungsmittel, die Konzentration des Dotierungsmittels, die oxidierende Umgebung und die Prozeßbedingungen.The function or functions of a particular dopant material may depend on a number of factors. Such factors include, for example, the particular parent metal, the particular combination of dopants when two or more dopants are used, the use of an externally applied dopant in combination with a dopant alloyed into the precursor metal, the concentration of the dopant, the oxidizing environment and the process conditions.
Zu den nützlichen Dotierungsmitteln eines Aluminium-Grundmetalls, besonders mit Luft als Oxidationsmittel, gehören Magnesium, Zink und Silizium, entweder allein oder in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln, wie unten beschrieben wird. Diese Metalle, oder eine geeignete Quelle der Metalle, können jedes in das Grundmetall auf Aluminiumbasis in Konzentrationen zwischen ungefähr 0,1-10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des resultierenden dotierten Metalls, einlegiert werden. Es soll jedoch angemerkt werden, daß bestimmte Dotierungsmittel mit dem Grundmetall auch nützliche Legierungen bilden, so daß sie optimale Wärmespeichercharakteristika aufweisen, und deshalb kann das Dotierungsmittel in eutektischen Bereichen eingesetzt werden. Diese Dotierungsmaterialien oder eine geeignete Quelle davon (z.B. MgO, ZnO oder SiO&sub2;) können außerhalb des Grundmetalls verwendet werden. So kann eine keramische Struktur aus Aluminiumoxid aus dem Aluminium-Silizium-Grundmetall unter Verwendung von Luft als Oxidationsmittel hergestellt werden, wenn MgO als auf die Metalloberfläche aufgetragenes Dotierungsmittel in einer Menge von mehr als ungefähr 0,0008 g pro Gramm des zu oxidierenden Grundmetalls und mehr als 0,003 g pro Quadratzentimeter der Grundmetalloberfläche, auf die das MgO aufgetragen wird, verwendet wird.Useful dopants of an aluminum base metal, particularly with air as the oxidant, include magnesium, zinc and silicon, either alone or in combination with other dopants as described below. These metals, or a suitable source of the metals, can each be alloyed into the aluminum-based base metal in concentrations between about 0.1-10 weight percent based on the total weight of the resulting doped metal. It should be noted, however, that certain dopants also form useful alloys with the base metal so that they have optimal heat storage characteristics and therefore the dopant can be alloyed in eutectic areas. These dopant materials or a suitable source thereof (e.g. MgO, ZnO or SiO2) may be used external to the parent metal. Thus, an alumina ceramic structure can be made from the aluminum-silicon parent metal using air as the oxidant when MgO is used as the dopant applied to the metal surface in an amount greater than about 0.0008 g per gram of parent metal to be oxidized and greater than 0.003 g per square centimeter of parent metal surface to which the MgO is applied.
Zu weiteren Beispielen für Dotierungsmaterialien für Aluminiumgrundmetalle gehören Natrium, Germanium, Zinn, Blei, Lithium, Kalzium, Bor, Phosphor und Yttrium, die einzeln verwendet werden können oder in Kombination mit einem oder mit mehreren Dotierungsmittel(n), in Abhängigkeit vom Oxidationsmittel und den Prozeßbedingungen. Seltenerdelemente, wie z.B. Cer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium, sind ebenfalls nützliche Dotierungsmittel, und in diesem Zusammenhang wieder besonders, wenn sie in Kombination mit anderen Dotierungsmitteln verwendet werden. Diese Dotierungsmaterialien sind, wie in den Patentanmeldungen desselben Anmelders erklärt wird, bei der Förderung des Wachstums des polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukts für Grundmetallsysteme auf Aluminiumbasis wirksam.Other examples of dopant materials for aluminum base metals include sodium, germanium, tin, lead, lithium, calcium, boron, phosphorus and yttrium, which may be used individually or in combination with one or more dopants, depending on the oxidant and process conditions. Rare earth elements such as cerium, lanthanum, praseodymium, neodymium and samarium are also useful dopants, and again especially when used in combination with other dopants. These dopants are effective in promoting the growth of the polycrystalline oxidation reaction product for aluminum-based base metal systems, as explained in the patent applications of the same applicant.
Das folgende nicht-einschränkende Beispiel der vorliegenden Erfindung ist für illustrative Zwecke gedacht.The following non-limiting example of the present invention is intended for illustrative purposes.
Drei zylindrisch geformte Gußkörper aus einer als 380.1 bezeichneten Aluminiumlegierung (von Belmont Metals, mit einer angegebenen nominalen gewichtsmäßigen Zusammensetzung von 8-8,5% Si, 2-3% Zn und 0,1% Mg als aktiven Dotierungsmitteln, und 3,5% Cu sowie Fe, Mn und Ni, wobei der tatsächliche Mg-Gehalt manchmal höher lag, wie z.B. im Bereich von 0,17-0,18%) von 2,2 cm (7/8 in) Höhe und 2,54 cm (1 in) Durchmesser wurden zur Abrundung ihrer Kanten maschinell bearbeitet. Eine dünne Schicht von ungefähr 2,5 mm (0,10 in) Dicke aus einem Überzugsmaterial aus 50 Gewichtsprozent Aluminiumoxidpulver (C-75, ungemahlen, von Alcan Aluminium Ltd.), 20 Gewichtsprozent Aluminiumoxidpulver (C-71, gleichmäßig gemahlen, von Alcan Aluminium Ltd.) und 30 Gewichtsprozent Ton (von Edgar Plastic Kaolin) wurde gleichmäßig auf die Oberfläche jedes Gußkörpers aufgetragen. Man ließ den Überzug trocknen, und die überzogenen Gußkörper wurden in ein Sperrmaterial untergetaucht, das aus einer gleichmäßigen Mischung aus 70 Gewichtsprozent Wollastonitfasern (ein mineralisches Kalziumsilikat, FP Grade, von Nyco Inc.) und 30 Gewichtsprozent Gips (Bondex, von Bondex Inc.) bestand, das in einem feuerfesten Schmelztiegel enthalten war. Dieser Aufbau aus dem Schmelztiegel und seinem Inhalt wurde in einen Schmelzofen gegeben, der mit Luft als Oxidationsmittel beschickt war, und innerhalb von 4 Stunden auf 95ºC erhitzt. Der Schmelzofen wurde 60 Stunden bei 950ºC gehalten und dann innerhalb von 4 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt.Three cylindrically shaped castings of an aluminum alloy designated 380.1 (from Belmont Metals, with a stated nominal weight composition of 8-8.5% Si, 2-3% Zn and 0.1% Mg as active dopants, and 3.5% Cu plus Fe, Mn and Ni, with the actual Mg content sometimes being higher, such as in the range of 0.17-0.18%) 2.2 cm (7/8 in) high and 2.54 cm (1 in) in diameter were machined to round their edges. A thin layer, approximately 2.5 mm (0.10 in) thick, of a coating material consisting of 50 weight percent alumina powder (C-75, unground, from Alcan Aluminium Ltd.), 20 weight percent alumina powder (C-71, uniformly ground, from Alcan Aluminium Ltd.), and 30 weight percent clay (from Edgar Plastic Kaolin) was evenly applied to the surface of each casting. The coating was allowed to dry and the coated castings were immersed in a barrier material consisting of a uniform mixture of 70 weight percent wollastonite fibers (a mineral calcium silicate, FP grade, from Nyco Inc.) and 30 weight percent gypsum (Bondex, from Bondex Inc.) contained in a refractory crucible. This assembly of the crucible and its contents was placed in a furnace charged with air as an oxidant and heated to 95ºC over 4 hours. The furnace was held at 950ºC for 60 hours and then cooled to ambient temperature over 4 hours.
Der Schmelztiegel und sein Inhalt wurden aus dem Schmelzofen entfernt, und die drei Produkte wurden dem Schmelztiegel entnommen. Überschüssiges Sperrmaterial wurde von ihren Oberflächen durch leichtes Sandstrahlen enffernt. Die Untersuchung der Produkte ergab, daß das Oxidationsreaktionsprodukt das Überzugsmaterial infiltriert hatte. Eines dem drei Speichermedien für thermische Energie wurde quergeschnitten, um das Metallsubstrat und den Leerraum zu zeigen. Die FIGUR 2 ist ein Foto, das das Produkt nach der Herstellung zeigt, und die FIGUR 1 ist der Querschnitt durch das Produkt der den keramischen Behälter 4, den Metallkörper 6 und den Leerraum 8 zeigt. Das Produkt wurde fünfmal hintereinander von Zimmertemperatur auf 700ºC, über den Schmelzpunkt des Metallkerns hinaus, erhitzt und wieder zurück auf Zimmertemperatur abgekühlt. Es wurde kein Springen oder Versagen des keramischen Behälters entdeckt oder beobachtet.The crucible and its contents were removed from the furnace and the three products were taken out of the crucible. Excessive barrier material was removed from their surfaces by light sandblasting. Examination of the products showed that the Oxidation reaction product had infiltrated the coating material. One of the three thermal energy storage media was cross-sectioned to show the metal substrate and void space. FIGURE 2 is a photograph showing the product after manufacture and FIGURE 1 is the cross-section of the product showing the ceramic container 4, metal body 6 and void space 8. The product was heated five times in succession from room temperature to 700ºC, beyond the melting point of the metal core, and cooled back to room temperature. No cracking or failure of the ceramic container was detected or observed.
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